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CN110869582A - 用于液压驱动的水下泵送的系统和方法 - Google Patents

用于液压驱动的水下泵送的系统和方法 Download PDF

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CN110869582A CN201880039378.9A CN201880039378A CN110869582A CN 110869582 A CN110869582 A CN 110869582A CN 201880039378 A CN201880039378 A CN 201880039378A CN 110869582 A CN110869582 A CN 110869582A
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subsea
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pumping
working fluid
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R·罗德古斯
C·阿尔贝托·班代拉·里贝罗·卡多佐
T·席尔瓦·维埃拉
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Petroleo Brasileiro SA Petrobras
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Abstract

公开一种液压驱动的水下泵送系统，其包括连接至海底基座(2)的泵送模块(3)，其中海底基座：经由生产管线(4)连接至海底生产井(1)，所述生产管线运送海底生产井生产的流体；以及经由立管(6)和服务管线(7)连接至生产单元(8)，并且其中所述系统构造成借助于服务管线从所述生产单元接收工作流体，所述系统还包括位于泵送模块中的泵(19、22)，所述泵构造成被工作流体液压地驱动并且构造成将海底生产井所生产的流体泵送至生产单元；并且其中所述系统还构造成在工作流体已经被用来驱动所述泵之后使所述工作流体与海底生产井所生产的、被泵送至生产单元的流体相混合。

Description

用于液压驱动的水下泵送的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年5月3日提交的BR 10 2017 009298-4的优先权的权益，该申请通过引用全部并入本文中。
技术领域
本发明涉及用于人工举升以及用于确保来自海底油井的生产流的系统。
背景技术
在海上石油生产期间，尤其是在深水中的海上石油生产期间，已经开发了各种系统和设备，以用于以压力形式以及热量形式将能量供应至石油，其中目的是有助于石油流动至表面。
油井内的泵的使用使得可以在可适用时提高井的产量。然而，该设备具有相对高的故障率，对于最常见类型的潜水离心泵(SCP：submerged centrifugal pumps)平均每两年发生一次故障。
湿式完井的海底井中的故障需要昂贵的维修工作，这是因为必须(i)停止生产，(ii)撤出生产套管(casing)和相应的泵，以及(iii)使用海上探测装置。在许多情况下，高成本代表了对生产开发项目的经济可行性的阻碍。
已经提出各种替代方案来克服该问题。目前，对于海底井，只要压力和游离气体量的条件有利，就优选地远离生产井将泵安装于海床上。这种构造有助于泵的安装，以及有助于在发生故障的情况下进行可能的更换。在专利文件US7314084和US7516795中描述这种实践的示例，其中远离生产井安装由电动机驱动的SCP型泵。
为了产生大的流量以及大的压差，这些泵非常长，为大约25至40米，这导致了长度和重量较大的泵送模块，这些泵送模块仅可以通过探测装置或特殊的船舶来处理，所述探测装置或特殊的船舶均为昂贵且重要的海军资源。
已经提出一些实施例，以用于实施用于安装泵以及从生产单元自身撤出泵的解决方案，从而免除使用并非总是迅速可用的其它海军资源。一个示例为专利文件PI0113728-0，其提出将SCP安装于湿式采油树(wet Christmas tree)(无隔水罩的水底采油树)上方并且下降于立管内。在所提出的构造中，需要且必须使立管为竖直的(即没有曲率)，以及使立管具有用于补偿运动的系统，这使得所述构造难以被应用于FPSO(浮式生产储藏和卸载：Floating Production Storage and Offloading)型的生产单元中。
此外，在文件US8857519中，提出一种用于使生产系统现代化的方法，所述方法通常被称为翻新，其中可以通过生产立管来安装和降低用于水下分离以及用于利用电驱动装置进行泵送的系统。
因此，尽管用于将泵安装于海床的各种现有技术具有优点，但是尚未提出这样的解决方案：该解决方案既减少模块的长度，以及又因此降低安装和处理所述模块的难度，以及如果必要的话，还降低重质油的粘度以防止任何阻塞。
如以下将更详细地解释说明的那样，本公开以实用且有效的方式解决了上述问题。
发明内容
本公开提供用于液压驱动的泵送的系统和方法，其免除水下电动机的使用。
本公开的另一目的是提供一种泵送系统和一种泵送方法，它们有效地防止在立管中水合物的形成以及结蜡。
本公开的另一个目的是提供一种与常规的泵送系统相比具有相对减小尺寸的泵送系统，从而有利于泵送系统的构建、运输、安装以及维修。
因此，为了实现这些目的，根据第一方面，本公开提供一种液压驱动的水下泵送系统，所述系统包括连接至海底基座的泵送模块，其中所述海底基座：经由生产管线连接至海底生产井，所述生产管线运送由所述海底生产井生产的流体；并且经由立管和服务管线连接至生产单元，其中所述系统被构造成借助于所述服务管线从所述生产单元接收工作流体，所述系统还包括位于所述泵送模块中的泵，所述泵构造成被所述工作流体液压地驱动并且构造成将所述海底生产井生产的流体泵送至所述生产单元；并且其中所述系统还构造成在所述工作流体已经被用来驱动所述泵之后使所述工作流体与所述海底生产井生产的、要被泵送至所述生产单元的流体相混合。
所述泵可以为离心式或喷射式。所述泵送模块可以包括连接至所述泵的吸入管线和排放管线。两个或更多个泵可以定位于所述泵送模块中。
所述泵送模块可以经由连接器连接至所述海底基座。所述连接器可以分离为两个部分。
所述系统可以包括至少一个截止阀。
所述泵送模块可以包括气举工作筒(gas lift mandrel)。
所述泵送模块可以包括加热元件，所述加热元件构造成加热被泵送至所述生产单元的流体。
可以在所述生产单元中，或在所述泵送模块中，或在这两者中预加热所述工作流体。
根据第二方面，提供一种用于液压驱动的水下泵送的方法，其中所述方法包括以下步骤：借助于经由服务管线从生产单元接收的工作流体来液压地驱动容纳于泵送模块中的泵；借助于所述泵送模块，将海底生产井生产的流体经由立管泵送至所述生产单元；以及在所述泵送模块中，将所述工作流体与所述海底生产井生产的流体混合并排放。
所述泵送模块可以为可回收的并且连接至海底基座，所述海底基座继而：经由生产管线连接至所述海底生产井；以及经由所述立管和所述服务管线连接至所述生产单元。所述泵送模块可以借助于连接器连接至所述海底基座。
所述方法可以进一步包括在所述生产单元中或在所述泵送模块中或在这两者中预加热所述工作流体的步骤。
所述方法可以进一步包括在所述泵送模块中将工作流体与所述海底生产井生产的流体的混合物进行加热的步骤。
在所述第一方面的系统或所述第二方面的方法中，所述泵送模块可选地不包括电动机。
在所述第一方面的系统或所述第二方面的方法中，所述工作流体可选地包括水。
在所述第一方面的系统或所述第二方面的方法中，所述立管可选地在所述立管内不包括生产套管或电力线缆。
根据另一个方面，提供一种液压驱动的水下泵送系统，所述系统包括连接至海底基座的可回收的泵送模块，所述海底基座继而通过至少一条生产管线和环空管线连接至至少一个海底生产井。所述海底基座还经由立管和服务管线连接至生产单元。经由服务管线从所述生产单元获得的、可选地被加热的工作流体提供对容纳于所述泵送模块中的泵的液压驱动，随后所述工作流体与通过至少一条生产管线的所生产的流体混合并一起流动至所述生产单元。
本公开还提供一种用于液压驱动的水下泵送的方法，所述方法包括以下步骤：(i)借助于工作流体液压地驱动容纳于所述泵送模块中的泵，所述工作流体经由服务管线从生产单元接收并且可选地被加热；(ii)借助于所述泵送模块泵送所述生产流体，(iii)在所述泵送模块中将所述工作流体与通过至少一条生产管线的生产流体混合并排放。
根据另一方面，提供一种液压驱动的水下泵送系统，其特征在于，所述系统包括连接至海底基座的可回收的泵送模块，所述海底基座继而：经由运送生产的流体的至少一条生产管线以及环空管线连接至至少一个海底生产井；以及经由立管和服务管线连接至生产单元，其中借助于所述服务管线从所述生产单元接收的工作流体：液压地驱动位于所述泵送模块中的至少一个泵；并且在驱动所述泵之后，与向所述生产单元流动的生产的流体相混合。
所述泵送模块可以包括至少一个液压驱动的泵。
所述液压驱动的泵可以为离心式或喷射式。
所述泵送模块可以包括连接至至少一个液压驱动的泵的吸入管线和排放管线。
所述泵送模块可以经由至少一个连接器连接至所述海底基座。所述至少一个连接器可以分离为两个部分。
所述系统可以包括至少一个截止阀。
所述泵送模块可以包括至少一个气举工作筒。
所述泵送模块可以包括至少一个加热元件。
在所述生产单元中或在所述泵送模块中或在这两者中，可以通过所述加热元件预加热所述工作流体。
根据另一方面，提供一种用于液压驱动的水下泵送的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：借助于工作流体液压地驱动容纳于泵送模块中的至少一个泵，所述工作流体经由服务管线从生产单元接收；借助于所述泵送模块、经由至少一个立管将生产的流体泵送至所述生产单元；以及在所述泵送模块中，将所述工作流体与从至少一个海底生产井接收的生产的流体混合并排放。
所述泵送模块可以为可回收的并且连接至海底基座，所述海底基座继而：经由至少一条生产管线以及环空管线连接至至少一个海底生产井；以及经由立管和服务管线连接至生产单元。
所述泵送模块可以借助于至少一个连接器连接至所述海底基座。
在所述生产单元中或在所述泵送模块中或在这两者中可以通过所述加热元件预加热所述工作流体。
所述系统可以包括在所述泵送模块中、借助于至少一个加热元件将工作流体与生产的流体的混合物进行加热的额外步骤。
附图说明
在下文中呈现的详细描述参考附图以及它们的相应的附图标记。
图1示意性地示出液压驱动的水下泵送的一个优选实施例。
图2示意性地示出液压驱动的水下泵送的替代实施例。
图3示意性地示出根据第一实施例的液压驱动的水下泵送模块。
图4示意性地示出根据第二实施例的液压驱动的水下泵送模块。
图5示意性地示出根据第三实施例的液压驱动的水下泵送模块。
图6示意性地示出根据第四实施例的液压驱动的水下泵送模块。
图7示意性地示出根据第五实施例的液压驱动的水下泵送模块。
图8示意性地示出根据第六实施例的液压驱动的水下泵送模块。
具体实施方式
首先，要强调的是，下面的描述将是适用于水下泵送系统的优选实施例，所述水下泵送系统连接至至少一个海底油井以及浮式生产单元，例如FPSO。
对于本领域技术人员而言，显而易见的是，本发明不限于这些特定实施例，而是还可以适用于其它类型的生产单元，比如Spar、TLP、Semi-sub等等。
在图1中以示意图示出的水下泵送系统的第一实施例中，提供一种液压驱动的水下泵送系统。所述系统包括海底基座2，在该海底基座上支撑并连接有至少一个可回收的泵送模块3。在上下文中，“可回收的”是指泵送模块被设计成能够与周围系统连接和解除连接。
海底基座2连接至至少一个海底生产井1。基座2经由至少一条生产管线4和环空管线(annulus line)5来接收井1所生产的流体。海底基座2还液压地连接至生产单元8。所述连接经由立管6和服务管线7进行。
服务管线7可以用于为泵送模块3供应工作流体或气举。生产管线4所生产的油可以通过泵送模块3抽吸，然后与涡轮机18所排放的工作流体混合(参见下文的进一步的描述)，并且经由立管6传递至生产单元8。而且，如图1中所示，生产单元8可以位于海面9面上。
在图2中所示的水下泵送系统的替代实施例中，一个以上的海底生产井1连接至泵送基座2并因此连接至泵送模块3。如可以看到的，在图2中示出包括四个海底生产井1的布置。
图3示出泵送模块3的第一实施例。在该实施例中，HSP(液压潜水泵)安装于囊状件17中。HSP包括由涡轮机18驱动的离心泵19。HSP液压地连接至吸入管线13和排放管线14。
可选地，止回阀20设置于泵送模块3的排放管线14中。同样可选地，可以在泵送模块3中设置加热元件16。如图所示，加热元件16可以用来将热量供应至所生产的流体。这可以有利于流动以及降低生产管线堵塞的风险。
泵送模块3可以经由至少一个连接器10液压地连接至海底基座2。
在操作中，从海底生产井1接收的所生产的流体通过生产管线4到达海底基底2。在图3的实施例中，生产的流体穿过连接器10转向至泵送模块3的吸入管线13。生产的流体被HSP吸入并且在获得离心泵19的压力之后与涡轮机18排放的工作流体混合。
通过服务管线7从生产单元8接收工作流体，并且工作流体可以被加热或可以不被加热。例如，可以在生产单元8中加热工作流体。替代地，可以在泵送模块3中由加热元件16(在图3所示的布置中未示出)加热工作流体。在另一个替代方案中，可以在生产单元8中预加热工作流体以及也可以在泵送模块3中由加热元件16预加热工作流体。
从生产单元8接收的工作流体在通过海底基座2从服务管线7转向之后通过工作流体管线15到达HSP。该工作流体具有以下功能：(i)为驱动HSP的离心泵19的涡轮机18的运行提供液压能，以及(ii)与用于泵送至生产单元8的生产流体相混合，从而降低所述生产流体的粘度以及可选地对所述生产流体进行加热。
在图4中所示的泵送模块3的第二实施例中，泵送模块3包括代替HSP而安装于囊状件17中的喷射泵22。像第一实施例的HSP一样，喷射泵22也借助于工作流体而被液压驱动，可选地可以在生产单元8和/或泵送模块3中加热所述工作流体。可选地，气举工作筒21可以在排放管线14中与泵送模块3集成在一起。这赋予更大的操作灵活性，其中气举作为一种替代泵送的提升方法。
如在第一实施例中一样，在操作中，从海底生产井1接收的所生产的流体通过生产管线4到达海底基座2。如图4中所示，生产的流体穿过连接器10转向至泵送模块3的吸入管线13。生产的流体被喷射泵22吸入，并且所述生产流体在其穿过喷射泵22时与通过服务管线7从生产单元8接收的工作流体(所述工作流体可以被加热)相混合。
类似地，从生产单元8接收的工作流体在通过海底基座2从服务管线7转向之后经由工作流体管线15到达喷射泵22。
优选地，在任何实施例中，连接器10可分离成两个部分，如图4中所示。这有助于泵送模块3的可回收性，这意味着仅仅通过使连接器10分离从而使泵送模块3与海底基座2解除连接，可以容易地移除泵送模块3以用于维修或更换。
图5示出第三实施例，该第三实施例为图3中所示的第一实施例的变体方案。在该实施例中，泵送模块3相对于海底基座2竖直地布置。
图6示出第四实施例，该第四实施例为图3中所示的第一实施例的另一变体方案。在该实施例中，对于泵送模块3，喷射泵22以水平布置与HSP并联地组合。在该实施例中，假如发生故障和/或用于维修的停机情况下，不同类型的泵可以用作彼此的备用件。
图7示出第五实施例，该第五实施例为图6中所示的第四实施例的变体方案。在该实施例中，泵送模块3相对于海底基座2竖直地布置。
图8示出第六实施例。在该实施例中，泵送模块3包含与HSP并联的潜水离心泵(SCP)组24，其中一个泵充当另一个泵的备用件，从而提供较大的操作灵活性。
泵送模块3可以安装于容易运输的部分上，比如托架(skid)(未示出)上。这意味着容易在浮动的船舶与海床之间运输泵送模块3。可以由服务船舶(未示出)更换和运输泵送模块3。
可选地，从生产单元8对离心泵19或喷射泵22的更换可以涉及柔性管单元。替代地，从生产单元8对离心泵19或喷射泵22的更换可以涉及流体循环的反向操作。
附图中所示的截止阀11可以设置于本发明的系统的任何管线中，比如吸入管线13、排放管线14以及工作流体管线15。截止阀11允许正确地引导和控制系统中的流体的流动。另外，截止阀11允许在泵送模块3与海底基座2解除连接的情况下阻塞流体管线。
可选地，在生产管线4与立管6之间的边界处设置旁通阀12以便容许清管器通过，如图3至图7中所示。
本公开进一步提供一种用于液压驱动的水下泵送的方法，所述方法包括以下步骤中的一个或多个：
(i)借助于通过服务管线7从生产单元8接收的工作流体来液压地驱动容纳于泵送模块3中的一个或多个(例如两个)泵19、22；
(ii)借助于泵送模块3、经由至少一个立管将海底井生产的流体泵送至生产单元；
(iii)在泵送模块3中将工作流体与从至少一个海底生产井1接收的流体相混合，并且通过至少一个立管6将混合物排放至生产单元8。
可选地，在本发明的方法中所采用的工作流体为加热的工作流体。
可选地，所述方法包括额外的步骤：在泵送模块3中借助于至少一个加热元件16将工作流体与生产流体的混合物进行加热。
因此，本公开的泵送系统基于具有喷射泵的或由涡轮机驱动的液压驱动装置。当工作流体被预加热并且与所生产的流体混合时，除了以压力形式提供能量之外，液压驱动装置还以热量形式供应能量。与低粘度的工作流体(例如水)的使用相结合，该温度上升形成粘度远低于原始流体的粘度的混合物。该特性对于高粘度重质原油的生产极为有利。温度上升对于高气液比的深水领域的情景还有利于在立管中的气体减压时由于焦耳-汤姆森效应而产生的结蜡(paraffin deposition)问题。
此外，在相同功率下显著地短于SCP型泵的液压驱动泵(由高速液压蜗轮机驱动的HSP型以及喷射型)使得更容易设计尺寸减小的泵送模块，该尺寸减小的泵送模块易于通过常见且容易租用和调用的较小的船舶安装。
此外，对服务管线7供应的工作流体液压驱动的泵送模块3的使用免除对立管内的生产套管或电力线缆的使用。这允许借助于安装在海底基座2中的旁通阀12而使清洁刮板(清管器)通过。
另外，液压驱动的泵免除了所有的水下电气构件，这些水下电气构件很大程度上导致SCP系统以及其它水下泵的故障。
允许无数的变体方案落入本申请的保护范围内。这增强了本发明不限于上述特定实施例的事实。这样，对于本领域技术人员而言显而易见的是，对上述设备和方法的修改、可实践的不同的变体方案之间的组合、以及本发明的各方面的变体方案均位于权利要求的精神和范围内。

Claims (18)

1.一种液压驱动的水下泵送系统，所述系统包括：连接至海底基座的泵送模块，其中所述海底基座：
经由生产管线连接至海底生产井，所述生产管线运送所述海底生产井生产的流体；以及
经由立管和服务管线连接至生产单元，并且其中所述系统构造成借助于所述服务管线从所述生产单元接收工作流体，所述系统还包括位于所述泵送模块中的泵，所述泵构造成被所述工作流体液压地驱动并且构造成将所述海底生产井生产的流体泵送至所述生产单元；并且
其中所述系统还构造成在所述工作流体已经被用来驱动所述泵之后，使所述工作流体与所述海底生产井生产的、被泵送至所述生产单元的流体相混合。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述泵为离心式或喷射式。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述泵送模块包括连接至所述泵的吸入管线和排放管线。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的系统，所述系统还包括位于所述泵送模块中的两个或更多个泵。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的系统，其中，所述泵送模块经由连接器连接至所述海底基座。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述连接器能够分离为两个部分。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的系统，其中，所述系统包括至少一个截止阀。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的系统，其中，所述泵送模块包括气举工作筒。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的系统，其中，所述泵送模块包括加热元件，所述加热元件构造成将被泵送至所述生产单元的流体进行加热。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的系统，其中，在所述生产单元中或在所述泵送模块中或在这两者中预加热所述工作流体。
11.一种用于液压驱动的水下泵送的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
借助于经由服务管线从生产单元接收的工作流体来液压地驱动容纳于泵送模块中的泵；
借助于所述泵送模块，将海底生产井生产的流体经由立管泵送至所述生产单元；以及
在所述泵送模块中，将所述工作流体与所述海底生产井生产的流体混合并排放。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述泵送模块为可回收的并且连接至海底基座，所述海底基座继而：
经由生产管线连接至所述海底生产井；以及
经由所述立管和所述服务管线连接至所述生产单元。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述泵送模块借助于连接器连接至所述海底基座。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其还包括在所述生产单元中或在所述泵送模块中或在这两者中预加热所述工作流体的步骤。
15.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其还包括在所述泵送模块中将所述工作流体与所述海底生产井生产的流体的混合物进行加热的步骤。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的系统或方法，其中，所述泵送模块不包括电动机。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的系统或方法，其中，所述工作流体包括水。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的系统或方法，其中，所述立管在所述立管内不包括生产套管或电力线缆。
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